Lasers and Electro-optics pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Cambridge University Press

作者:Christopher C. Davis

出品人:

页数:742

译者:

出版时间:1996-05-31

价格:USD 220.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780521308311

丛书系列:

图书标签:

• Lasers
• Electro-optics
• Optics
• Photonics
• Laser Physics
• Optical Engineering
• Fiber Optics
• Nonlinear Optics
• Optical Devices
• Quantum Optics

《量子光学：从基础到前沿应用》 书籍概述： 本书旨在为读者提供一个全面而深入的量子光学领域导论，覆盖从基本的光与物质相互作用原理到当代最尖端的实验技术和应用。内容结构严谨，逻辑清晰，力求在保持科学严谨性的同时，兼顾不同背景读者的理解需求。本书不仅是理论学习的坚实基础，更是激发对未来光子学探索兴趣的引路石。 第一部分：量子光学的基本理论框架 第一章：电磁场与光子的量子化 本章首先回顾经典电磁场理论的局限性，随后引入量子力学的基本原理，特别是如何将经典电磁场在空间和时间上进行离散化，从而构建光子的概念。重点探讨光场的量子化过程，包括福克态（Fock states）或粒子数态的构建，以及真空涨落的物理意义。详细推导并解释了零点能与虚粒子概念，为后续理解自发辐射和卡西米尔效应奠定基础。引入创建（creation）和湮灭（annihilation）算符，并详细讨论这些算符在描述光场演化中的核心作用。 第二章：光与原子（或类原子系统）的相互作用 本章深入研究单光子与单原子体系的耦合。详细分析爱因斯坦的A、B系数，并从半经典（电磁场经典、原子量子化）和全量子（两者皆量子化）两种视角对光与物质的耦合进行比较。重点阐述了拉比振荡（Rabi Oscillations）现象的物理图像及其数学描述，解释了光场强度、频率失谐度对原子能级跃迁概率的影响。引入密度矩阵 formalism，用于描述处于混合态（如部分相干、部分退相干）的原子系统。本章还涵盖了自然线宽的起源，即自发辐射的量子电动力学解释。 第三章：量子态的描述与测量理论 本章是理解量子光学核心概念的关键。详细介绍了量子态的数学表示方法，包括狄拉克符号、波函数和密度矩阵。重点讲解了量子相干性（Coherence）的概念，区分了第一阶相干性（如光场相位一致性）和第二阶相干性（如光子统计特性）。深入探讨了光子统计的量化工具——光子计数统计（如泊松分布、班布里奇分布），并引入了二阶关联函数 $g^{(2)}( au)$ 作为区分经典光和量子光（如单光子源）的黄金标准。量子测量的理论基础，包括投影公设（Projection Postulate）和非破坏性测量（Quantum Nondemolition, QND）的基本思想，也在此章中进行阐述。 第二部分：关键量子光学现象与技术 第四章：量子噪声与光束的压缩态 本章聚焦于量子光学中的基本限制——散粒噪声（Shot Noise）。详细分析了标准量子极限（SQL）的来源，即相位噪声和幅度噪声之间的海森堡不确定性关系。随后，引入压缩态（Squeezed States）的概念，作为打破SQL的有效工具。推导了压缩态的生成机制，例如通过参量下转换（Parametric Down-Conversion, PDC）过程。详细分析了压缩态如何将噪声从某一可观测量（如幅度）转移到其共轭量（如相位），从而实现特定测量灵敏度的提升。应用实例包括高精度引力波探测中的噪声抑制。 第五章：原子操控：囚禁与冷却技术 本章转向实验技术，探讨如何精确控制单个原子或原子系综。详述多普勒冷却（Doppler Cooling）的基本原理和局限性。重点介绍激光冷却的进阶技术，如磁光阱（Magneto-Optical Trap, MOT）的构建与优化。对于单个原子的操控，深入讲解了保定态（Ground State Cooling）技术，如边带冷却（Sideband Cooling），以将原子运动的动能冷却到量子力学允许的最低限度。讨论了离子阱和中性原子阵列的最新进展，为构建量子模拟器和量子计算机奠定实验基础。 第六章：非线性光学过程的新视角 本章将经典非线性光学（如倍频、和频）与量子过程相结合。详细分析参量下转换（PDC）和参量上转换（Parametric Up-Conversion）的量子特性。重点解释了PDC如何产生纠缠光子对，以及如何利用这些纠缠源进行贝尔不等式检验。讨论了自发拉曼散射（Spontaneous Raman Scattering）的量子噪声特性。本章还将讨论光与光子学结构（如光子晶体、微腔）的强耦合效应，引入有效光子寿命和耦合强度的无量纲参数。 第三部分：前沿应用与新兴领域 第七章：量子信息处理的基础 本章将量子光学原理应用于信息科学。详细介绍量子比特（Qubit）的物理实现，重点关注基于光子偏振、路径或时间的编码。阐述量子逻辑门（如受控非门 CNOT）的光学实现方案，包括基于线性光学元件的方案（如Knill-Laflamme-Milburn, KLM协议）和基于介质响应的方案。深入讨论量子隐形传态（Quantum Teleportation）的完整过程，包括纠缠态的制备、联合测量和态重构，并解释其与经典通信的本质区别。 第八章：腔量子电动力学（Cavity QED） 本章聚焦于光与物质在受限空间内的强相互作用。详细介绍法布里-珀罗微腔的结构、损耗机制和品质因数。分析原子（或量子点）在腔内行为的理论模型，特别是Jaynes-Cummings模型及其在强耦合区域（$g > kappa, gamma$）的适用性，定义了“亮子”（Polaritons）的概念。讨论腔QED在单光子器件、单光子发射器（如微腔增强的量子点）以及构建基本量子逻辑单元中的重要作用。 第九章：量子传感与测量前沿 本章探讨量子光学技术如何超越经典测量极限。详细介绍基于压缩态光束的超灵敏测量技术，并分析其在磁场或电场测量中的应用潜力。讨论基于原子钟和超冷原子干涉仪的精密计量，特别是其对时间、频率和加速度测量的突破。引入量子增强的信号处理概念，解释如何利用纠缠态和非经典光场来提高信噪比（SNR）和分辨率，超越标准量子极限在特定应用中的限制。 总结与展望： 本书最后对量子光学领域当前面临的挑战和未来的研究方向进行总结，包括室温下的量子计算、大规模纠缠态的制备与操控，以及量子模拟器在解决复杂凝聚态物理问题中的应用前景。强调了跨学科合作（如与材料科学、计算机科学的结合）对于推动该领域发展的关键性作用。本书的最终目标是培养读者独立思考和设计前沿光学实验与理论模型的能力。

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